钢抱箍支架现浇帽梁施工技术

瞿金玮，叶炳麟，鲁刘磊

(1.江西省九江市武宁县交通运输局;2.暨南大学理工学院)

1 工程概况

工程为武汉市三环线南环段(青菱-野芷)工程青菱立交-胜利村B标高架桥，桥梁全长1 475 m(墩号0#～58#)，下部结构为两根φ1.2 m圆柱式桥墩，基础为两根φ1.2 m钻孔灌注桩，桥墩与钻孔灌注桩之间采用承台连接，承台之间设有高为1.2 m、平面尺寸5.3×1.2 m 系梁。帽梁高1.4 m、平面尺寸12.5×2 m ，墩柱间距7.5 m，两端中心悬臂2.5m，每个帽梁自重为89.75 t(其中0#帽梁自重103.5 t)。帽梁数量共计118个，柱平均高度为7.5 m，其混凝土设计强度等级均为 C30。

2 施工方案比选

目前，高架桥帽梁常用施工方法主要有钢抱箍、满堂支撑、门式支架和穿洞法四种。现对这四种施工方法进行比较，从经济性(含工期)(见表1)、可操作性(见表2)和安全性(见表3)三个方面入手，分析其在实际工程中的效果，具体参见表1、表2、表3。

台班 易损耗 平均每个2 满堂支撑 16 1 3 门式支架 16 1台班 易损耗 需要1 000元4 穿洞法 16 1台班 易损耗 0在同条件下，钢抱箍比其它三种可提前1 d。

1 钢抱箍支撑 此工法施工简单、操作方便，适应性较广(与以下三种工法相比，其为首先考虑对象)，且使用工具主要是扭矩扳手。2 满堂支撑 此工法施工烦琐，耗工费时，周转材料数量较多;且对地基承载力有强制性要求、且支架搭设完后需预压。3 门式支架 此工法除对地基承载力有强制性要求外;其在水中、交通通行地段等也受到严重约束。4 穿洞法 此工法容易破坏受力结构物、影响结构物外观质量。

通过表1、表2、表3的比对分析，相较其它三种方法，钢抱箍支撑显示了其独特的优越性：第一，经济性：在地基处理和消耗工日方面，每个帽梁可节省1 360元(人工费按定额30元/工日)，标段共118个帽梁，合计金额达118 360元(不含原材料损耗费用);在同等条件下，每个帽梁可以提前1 d完成，全桥帽梁总工期可提前118 d。第二，可操作性：钢抱箍施工技术简单，操作方便，且本标段墩柱结构尺寸均统一，实用性强。第三，安全性：钢抱箍支架安全性高于其他三种工法。

表3 安全性对比

因此，本工程拟采用钢抱箍支撑施工技术。

3 钢抱箍式支架支撑体系

其原理是在墩柱上适当部位安装两块半圆形的抱箍，并通过在抱箍耳托板上设置一定数量的螺栓，施拧产生预拉力联结紧固，使之与墩柱抱紧后产生的最大静摩擦力来平衡施工临时荷载及帽梁自重。即关键是要确保抱箍与墩柱之间有足够的摩擦力，以确保施工安全。

3.1 钢抱箍的结构形式

抱箍的结构形式由两个半圆定型抱箍拼装而成，在半圆口两侧焊接与起弯点切线成90°的抱箍耳，然后利用螺栓通过抱箍耳将两个半圆形抱箍连接在一起，再在螺栓之间焊接加焊角钢，确保承受一定荷载后而不发生扭曲。抱箍高度由抱箍耳上的螺栓个数决定。

3.2 钢抱箍的设计

3.2.1 钢抱箍受力分析

钢抱箍主要受三个力的作用：(1)螺栓对抱箍的预拉力。(2)钢抱箍对墩柱的正压力及墩柱对钢抱箍反作用力。(3)上部荷载F(工字钢及帽梁自重、施工荷载等)。

通过设计资料可计算出上部荷载作用的力F=559.6 kN，其主要由钢抱箍与墩柱之间摩擦力f来平衡，因此，当 f≥K ×F=951.32 kN(K 为安全系数，取 K=1.7)时，钢抱箍在F作用下不会产生向下滑动，即为安全结构。

3.2.2 连接螺栓数量的计算

钢抱箍与墩柱之间摩擦力f的计算公式为

式中：f为抱箍与墩柱间的最大静摩擦力;μ为抱箍与墩柱间的摩擦系数，钢材与混凝土间的摩擦系数为0.3～0.4，取μ=0.3;N为抱箍与墩柱间的正压力;N=n×F1(其中n为螺栓个数，F1为每个螺栓预拉力)。

现场施工中使用的螺栓一般不采用高强螺栓，原因：(1)经过一次加力松弛循环后不能再使用;(2)市场上一般购买不到所需要的规格产品，必须到厂家直接订购。如果采用高强螺栓会加大施工投入并带来极大麻烦，所以一般采用材质45号钢的M30大直径螺栓。

每个螺栓的允许拉力为

式中：As为普通螺栓的横截面积，As=πd2/4;［σ］—钢材允许应力。对于45号钢，［σ］=2 000 kg/cm2。

由公式(2)可计算得

再代入(1)式可得，f=μ×N=0.3×140n=42n

由于 f≥951.32 kN，计算得出：n≥22.65，即螺栓数量为23个，但螺栓个数必须是偶数，所以取螺栓数量为24个。根据螺栓数量，可拟定钢抱箍高度为800 mm，每侧布置两排螺栓，每排均为6个，每个螺栓间距均按等距布置。

3.2.3 钢抱箍厚度选定

钢抱箍在螺栓被拧紧的状态下，其竖直截面承受拉应力，其受力模型如图1。

图1 钢抱箍力学模型

式中：A0为钢抱箍截面计算面积;σ为钢材抗拉强度设计值，MPa，为 215 MPa;N为钢抱箍受到螺栓预拉力，kN，140 kN/个，即 N=12×140 kN=1 680 kN。

由公式(3)可得：A0=1 680/215=7 813.95 mm2

因为钢抱箍高为800 mm，计算得出抱箍厚度 δ=9.8 mm，取 δ=10 mm。

通过上述计算，拟定钢抱箍结构形式：高为800 mm，抱箍耳宽度为200 mm，并在每个抱箍耳上设置6个竖向双排孔，再利用M30普通螺栓使两个半圆形抱箍紧抱墩柱，螺栓从抱箍耳两端部向中间等距布置。并在抱箍耳转角内侧、在螺栓与螺栓之间加焊角钢，其连接采用角焊缝。确保抱箍耳受力时不会发生扭曲变形。加工成形后应确保抱箍周长比墩柱周长小40 mm(即拼装完后，抱箍耳每侧之间的间距为20 mm)，同时应在抱箍外侧设三个吊点，便于吊装。相关布置尺寸示意图详见图2。

3.3 钢抱箍局部不利位置验算

(1)抱箍耳剪应力计算

一个抱箍受到的作用力为F，则每个抱箍耳受到的作用力为F/2，可根据公式(4)计算出垂直焊缝长度方向的剪应力值

所以，钢抱箍受力截面积的计算公式为

式中：τf为垂直于焊缝长度方向应力值;he为角焊缝的有效宽度，取0.7hf;hf为较小焊缝尺寸，本例取8 mm;lw为焊缝长度，实际焊缝长度减10 mm;V为即为F/2。

图2 钢抱箍相关布置尺寸示意图

则由公式(4)可算得

(2)平行焊缝长度方向应力值

抱箍耳在螺栓作用下产生力由抱箍耳和焊缝来承担：

(3)在τf和σ1共同作用下，角焊接强度由下式验算

式中：βt为正面焊缝强度增大系数，取1.22;ff为角焊缝强度设计值，取200 MPa。

将已知量代入公式(5)中，得

经验算，钢抱箍受力最不利位置均满足要求。可见，初拟定钢抱箍尺寸是安全可行的。

4 钢抱箍支架帽梁的施工

(1)钢抱箍进场时，应对其半径、周长、焊接外观质量等进行严格检查。在投入使用之前，必须通过试验并达到一定的安全系数(不小于规范要求值)后才能确定使用。试验方法：先浇筑一个高约1.0～1.5 m的试验墩柱，待同条件养护试件强度达到设计强度75%后，将钢抱箍安装在试验墩柱上，采用扭矩法拧紧螺栓。在钢抱箍耳下部两侧各放置一台150 t的液压千斤顶。千斤顶与油压表泵连接好后，同时打开两个油泵阀门，使千斤顶同时作用于钢抱箍，通过油压表的读出千斤顶作用于钢抱箍力的大小，当钢抱箍开始滑动时记下油表读数，计算出力的大小。即可得出钢抱箍承受力的极限荷载。

(2)钢抱箍安装时，根据帽梁底设计标高、工字钢高度等反算出钢抱箍安装在墩柱上的标高，然后用水准仪将标高准确放到墩柱上，并作好识别标志。

(3)钢抱箍安装前，应在钢抱箍内用万能胶粘贴约2 mm厚的橡胶垫，以增加钢抱箍与柱子之间的摩擦，且能防止拆钢抱箍时墩柱外表受到撞伤或磨损。但在拆除抱箍后，应及时清除橡胶垫留下黑印，避免影响墩柱外观质量。

(4)钢抱箍安装时，在地面上只拼装成形，然后利用钢丝绳穿过吊装点，将钢抱箍吊到墩柱标志线上，再采用扭矩法或扭角法进行施拧螺栓。本工程采用扭矩法。

(5)将两根I50a工字钢安放在抱箍耳上，再用拉杆将工字钢拉紧，并紧靠墩身，防止向外侧倾覆。

(6)在I50a工字钢上铺设小工字钢(或小方木)，避免帽梁底模变形，然后再在小工字钢(或小方木)安装底模。

(7)底模安装完后，应进行复测其标高，如果满足设计及施工技术规范要求，方可进行下道工序施工，否则应采取相应措施进行调整。

(8)帽梁钢筋笼吊装及模板安装、砼浇筑。

(9)模板拆除：先拆除帽梁外模，后底模。拆除底模时，先松开抱箍螺栓和工字钢拉杆，利用导链将I50a工字钢和帽梁困绑在一起，然后慢慢放松导链，通过工字钢及以上的自重，将抱箍压下(或直接采用汽车吊)。

5 抱箍法施工的注意事项

(1)安装抱箍前，为防止墩柱砼被挤压变形，墩柱同条件养护试件强度必须达到设计值的75%后，方可进行安装。

(2)抱箍拆除时，应在帽梁同条件养护试件强度达到设计值的75%后进行。

(3)施拧螺栓时一定要到位。检查时，复核两抱箍耳之间的间距是否小于20 mm(即设计值)。

(4)焊接操作人员必须具有上岗证。在焊接前必须做焊接试件，试件合格后，方可正式焊接。

(5)在抱箍设计加工时，焊条最好采用E50型(确保焊缝强度)。

6 结论

工法在武汉市三环线南环段B标高架桥运用时，取得了良好的经济效益和社会效益。利用此工法施工简便，不需地基处理，现场易清理，材料不易损失，便于管理，特别是在高墩施工或在水、淤泥中、城市施工等更能显示出其优越性。在施工过程中很少影响道路、河道等交通，有利于快速、安全和文明施工，具有很好的推广应用价值。

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［1］路桥集团第一公路工程局.公路桥涵施工技术规范(JTJ 041-2000)［S］.北京：人民交通出版社，2000.

［2］铁道部科学研究院.铁路钢桥高强度螺栓连接施工规定(TBJ 214-1992)［S］.北京：中国铁道部出版社，1992.

［3］石治峰.抱箍+贝雷梁现浇箱梁支架施工技术及受力计算［J］.山西交通科技，2011，(6).